Метан является одним из самых мощных парниковых газов, существенно влияющих на глобальное потепление. Традиционно считалось, что метаногенез - процесс образования метана - протекает исключительно в анаэробных, то есть не содержащих кислорода, условиях. Однако недавние исследования кардинально пересматривают это представление, обнаруживая активность метаногенов, устойчивых к наличию кислорода, в прибрежных песчаных донных осадках, часто насыщенных кислородом. Центральную роль в образовании метана в этих экосистемах играют аэротолерантные метаногены, которые используют метаболиты морских водорослей и морских трав. Такой подход к исследованию расширяет наши знания о биогеохимических циклах и оказывает важное влияние на оценку парникового эффекта в прибрежных зонах.
Традиционные воззрения исходили из того, что метаногенные археи - микроорганизмы, производящие метан - строго анаэробны. Они были связаны с глубокими, плохо аэрируемыми слоями почв, донных отложений либо болот. В океанах же объяснения присутствия метана зачастую связывали с бактериями, разлагающими соединения, содержащие фосфор, более конкретно - с бактериями, расщепляющими метилфосфонаты. Другие теории предполагали образование метана в фотосинтезирующих организмах либо бактериями, функционирующими в особых условиях. Однако для прибрежных песчаных донных осадков подобные объяснения были недостаточно полными, поскольку эти зоны характеризуются частыми колебаниями уровня кислорода, высоким содержанием сульфатов и активной миграцией воды, что создаёт сложные условия для жизнедеятельности классических метаногенов.
Современные экспериментальные подходы включают непрерывный мониторинг и лабораторные манипуляции с пробами осадков и воды из прибрежных песчаных зон в Австралии и Дании. Анализ концентраций метана в верхних слоях воды показывает значительную перепроизводство газа, при этом максимальные значения уровня метана в воде над песчаными пляжами могут превышать атмосферное давление в десятки тысяч процентов. Повышенные концентрации обнаруживаются преимущественно вблизи слоёв, богатых морскими водорослями и морскими травами - так называемыми макрофитами. Это свидетельствует, что продукты жизнедеятельности и разложения макрофитов насыщают осадки субстратами, стимулирующими метаногенез. Лабораторные испытания подтвердили, что максимальный выход метана возникает при совместном присутствии песка и экстрактов морских водорослей, в то время как содержание метана в чистой морской воде либо осадках без добавленных субстратов значительно ниже или отсутствует.
Такой эффект объясняется тем, что микробные сообщества в осадках способны использовать метаболиты макрофитов - метилированные соединения, такие как триметиламин, диметилсульфид и метиламин. Эти вещества служат питательными субстратами для аэротолерантных метаногенов, из семейства Methanosarcinaceae, особенно рода Methanococcoides. Уникальной особенностью этих метаногенов является их способность выживать и активно функционировать при периодическом контакте с кислородом, что противоречит классическому представлению о строгой анаэробности этого типа микроорганизмов. Эксперименты с повторным воздействием кислорода показали, что метаногенез в образцах песка возобновлялся всего за 1-2 часа после восстановления анаэробных условий и даже усиливался при наличии органических субстратов от морских растений. При этом наблюдалась быстрая адаптация микробных сообществ, способных выдерживать переменный уровень кислорода.
Исследование геномов выделенных из песчаных отложений штаммов Methanococcoides подтвердило наличие полного набора генов, необходимых для метилотрофного метаногенеза - процесса получения энергии из метилированных соединений. Кроме того, в геномах обнаружены гены, отвечающие за защитные механизмы, препятствующие окислительному стрессу, такие как ферредоксины, тиоредоксины, супероксидредуктазы и каталазы. Это объясняет биохимическую основу их аэротолерантности и быстрых восстановительных процессов после окисления. Метаногенез в прибрежных песчаных осадках важен также с точки зрения углеродного баланса и глобального климата. При интеграции из экспериментальных данных удалось оценить потенциальные флюксы метана в атмосферу, которые могут достигать значительных значений и сопоставимы с выбросами из болотистых территорий или маршей.
Особенность заключается в том, что данный процесс зависит не только от микробиологических особенностей, но и от взаимодействия физических процессов - проникновения кислорода, гидродинамики, экспозиции воды и наличия макрофитов. К тому же метаногенез стимулируется накоплением морских водорослей и морских трав, которые склонны к разложению и высвобождению метилированных соединений, усиливая биогенные выбросы метана. В современных условиях, когда прибрежные зоны сталкиваются с увеличением эвтрофикации, вызванной антропогенной деятельностью, и изменениями климата, это может привести к увеличению масштабов и интенсивности метановых эмиссий. К тому же сезонные колебания, связанные с ростом и отмиранием макрофитов, могут контролировать динамику выбросов метана, создавая временные пики и провалы. Учитывая потенциальную роль метана как парникового газа, эти открытия имеют важные последствия для глобальных моделей климатических процессов, а также для разработки эффективных стратегий по сокращению выбросов парниковых газов.
Особое значение приобретает интеграция биологических и физических факторов в прибрежных экосистемах, которые ранее рассматривались преимущественно через призму углеродного захвата (например, концепция "голубого углерода"). Данные показывают, что будущие климатические стратегии и экологические модели должны учитывать эффект аэротолерантных метаногенов и их питание метаболитами морских водорослей и трав. Это позволит более точно оценивать углеродный баланс прибрежных зон и влияние на климатические изменения. Каждое изменение в экологии береговых растений, например рост или гибель морской травы, изменяет биохимическую среду, поддерживая либо подавляя производство метана. В перспективе важным направлением является более широкое изучение пространственной и временной вариативности метаногенеза в прибрежных зонах с учетом влияния гидрофизических условий, видов морских растений и разнообразия микробных сообществ.
Также необходимы исследования, направленные на разработку методов контроля и снижения метановых выбросов, особенно в зонах, подверженных воздействию человеку. Таким образом, необусловленная ранее роль аэротолерантных метаногенов в аэрированных прибрежных песчаных осадках открывает новую страницу в понимании глобальных биогеохимических циклов. Метаболиты морских водорослей и морских трав оказывают непосредственное влияние на образование метана, создавая уникальную обратную связь между первичным производством в экосистемах и выбросами парниковых газов. Понимание и учёт этих процессов будут способствовать более полной картине углеродного цикла и улучшению прогноза климатических изменений в будущем. .
